陳　鋒,周　斌,劉金祥,薛　科,徐　陽(yáng),唐徐裕 (南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,江蘇 南京 210009)

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條縫型空氣幕對(duì)抽油煙機(jī)污染控制的輔助作用

陳鋒,周斌*,劉金祥,薛科,徐陽(yáng),唐徐裕 (南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,江蘇 南京 210009)

摘要：運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,研究了住宅廚房在油煙機(jī)和送風(fēng)氣幕作用下的氣流流動(dòng)、溫度分布和污染物擴(kuò)散機(jī)理,并通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析了射速在0～5m/s范圍的空氣幕對(duì)廚房污染物擴(kuò)散的影響.結(jié)果表明,單獨(dú)使用抽油煙機(jī)作為廚房排風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法有效地將烹飪產(chǎn)生的油煙快速排向室外.空氣幕作為補(bǔ)風(fēng)裝置應(yīng)用在廚房通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以降低廚房空氣溫度,提高人體熱舒適,而且能合理組織氣流流動(dòng),降低廚房污染物濃度.然而,當(dāng)油煙機(jī)排風(fēng)量一定時(shí),空氣幕射速并非與油煙機(jī)捕集效率成正比,而是存在著最佳設(shè)計(jì)風(fēng)速,排風(fēng)速率為5m/s的最佳空氣幕射速為0.6m/s.當(dāng)通過(guò)增加油煙機(jī)排風(fēng)量來(lái)提高捕集效率時(shí),應(yīng)根據(jù)不同的排風(fēng)量確認(rèn)對(duì)應(yīng)的空氣幕射速.

關(guān)鍵詞：污染控制；廚房通風(fēng)；數(shù)值模擬；空氣幕

* 責(zé)任作者, 副教授, zhoubinwx@hotmail.com

廚房油煙產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物存在著致變物質(zhì),有一定的致變性[1].南京城區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),人群中51.6%的肺鱗癌和61%的肺腺癌的發(fā)生歸因于家庭油煙污染[2].根據(jù)臺(tái)灣的公共衛(wèi)生統(tǒng)計(jì),肺癌成為臺(tái)灣女性感染最常見(jiàn)的癌癥類型,平均每年有1650～1750位女性死于肺癌,占所有女性癌癥患者的1/6[3].絕大多數(shù)人90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)[4],因而室內(nèi)環(huán)境對(duì)人體健康有著巨大影響. Oberdorster認(rèn)為導(dǎo)致上述肺部疾病的污染物主要是極其細(xì)小的顆粒物(簡(jiǎn)稱UFPs),其細(xì)小程度甚至達(dá)到直徑1nm[5].樊景森等[6]對(duì)我國(guó)肺癌高發(fā)區(qū)宣威地區(qū)進(jìn)行采樣,研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)污染源是影響室內(nèi)PM10濃度的主要因素,且做飯會(huì)產(chǎn)生大量的PM10.高軍等[8]使用激光衍射分析儀測(cè)量油煙中體積頻率范圍0.1～10μm的粒子,發(fā)現(xiàn)粒子直徑分布在0.1μm到1μm之間的比例幾乎100%[7].2013年Abdullahi等研究了目前比較典型廚房產(chǎn)生的氣溶膠質(zhì)量濃度、粒徑分布和化學(xué)成分,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在烹飪的地方可以產(chǎn)生大量的氣溶膠,主要包括烷烴、脂肪酸、二元羧酸、內(nèi)酯、多環(huán)芳香烴、植物固醇等.Sarigiannis等[9]的研究表明:燃燒是多環(huán)芳香烴致癌物PAHs的主要來(lái)源,燃燒產(chǎn)生顆粒物中含有的PAHs濃度高于其他污染物,這類顆粒物會(huì)提高患癌癥的風(fēng)險(xiǎn).天然氣、液化石油氣等清潔燃料產(chǎn)生的有害氣體主要是CO2,當(dāng)空氣中CO2含量大于5%及氧含量不足15%,人體會(huì)出現(xiàn)胸悶、頭痛、呼吸困難甚至休克的現(xiàn)象.Zhang等[10]研究發(fā)現(xiàn)較低水平的CO2濃度、室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度可以有效緩解病態(tài)建筑綜合征(SBS)的癥狀.廚房惡劣的熱濕環(huán)境很大程度上會(huì)影響烹飪?nèi)藛T的舒適度和工作效率,熱環(huán)境的主要影響因素有空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣流速、平均輻射溫度,溫度是影響人體熱舒適的主要因素,尤其夏天廚房?jī)?nèi)溫度很高,人體會(huì)有灼熱感,并感到疲勞.Simone等[11]對(duì)美國(guó)廚房進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)廚房常年處于暖-熱環(huán)境中,預(yù)測(cè)熱感覺(jué)/預(yù)測(cè)不滿意百分比不適用于廚房熱舒適評(píng)價(jià).Chatzidiakou等[12]發(fā)現(xiàn)將室內(nèi)熱濕條件和CO2濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)能提高室內(nèi)空氣品質(zhì).

廚房產(chǎn)生的油煙可以通過(guò)油煙機(jī)排出室外,但是油煙機(jī)的工作效率與多種因素有關(guān):排煙罩類型、氣流流速、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、空間位置[13].Saha 等[14]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了印度四個(gè)高校廚房CO、CO2和溫度分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)不同建筑結(jié)構(gòu)、物品擺放位置和通風(fēng)方式對(duì)廚房污染物分布有很大影響.高軍等[15]研究了通風(fēng)方式對(duì)排油煙機(jī)排風(fēng)效率的影響,發(fā)現(xiàn)在不同通風(fēng)條件下,油煙機(jī)工作效率差別很大.周汝等[16]將空氣幕作為一種有效的防煙手段應(yīng)用于控制火災(zāi)煙氣擴(kuò)散.Lai[3]對(duì)一個(gè)全新廚房側(cè)排氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估和測(cè)試,以了解不同排氣配置如何影響整體排放性能.結(jié)果發(fā)現(xiàn),靠近鍋邊的單槽,雙槽和柵欄槽排除廢氣效果很好,使室內(nèi)空氣質(zhì)量保持在一個(gè)可接受的水平.

盡管上述研究已經(jīng)考慮了氣流組織、建筑結(jié)構(gòu)、空間位置對(duì)油煙機(jī)排風(fēng)性能的影響,但仍然存在不足:(1)目前對(duì)廚房室內(nèi)空氣品質(zhì)比較關(guān)注,但缺少對(duì)熱環(huán)境的研究;(2)缺少對(duì)廚房污染物擴(kuò)散機(jī)理的研究并給出相應(yīng)的解決方案.本文基于一種全新的吹吸式廚房通風(fēng)系統(tǒng)[17],將空氣幕應(yīng)用到廚房污染物控制方面,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到增設(shè)空氣幕前后廚房的溫度分布和污染物擴(kuò)散規(guī)律,并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比,以揭示該系統(tǒng)在阻擋廚房油煙向室內(nèi)擴(kuò)散上的優(yōu)勢(shì).

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在2015年5～8月實(shí)施,以南京某住宅小區(qū)廚房為原型,在實(shí)驗(yàn)室搭建1:1的廚房實(shí)驗(yàn)臺(tái),廚房模型長(zhǎng)寬高為2.3m×1.45m×2.4m.中國(guó)居民為防止油煙擴(kuò)散到室內(nèi),通常烹飪時(shí)廚房的門(mén)是關(guān)閉的,所以實(shí)驗(yàn)中廚房門(mén)為關(guān)閉狀態(tài),而窗戶保持開(kāi)啟.用膠帶將墻壁上的漏風(fēng)縫隙全部堵住,以保證廚房的氣密性.每一個(gè)工況實(shí)驗(yàn)實(shí)施之前,為了保證各個(gè)實(shí)驗(yàn)工況前廚房的空氣始終為室外新鮮空氣,油煙機(jī)首先工作10min,從而消除了前一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況存留的油煙對(duì)下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的影響.

圖1　廚房模型示意Fig.1　Schematic diagram of the kitchen model

本文應(yīng)用的新型氣幕裝置是在原有的油煙機(jī)排風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,在燃?xì)庠?烹飪區(qū))四周開(kāi)4條槽,然后通過(guò)送風(fēng)機(jī)將室外空氣通過(guò)風(fēng)管、靜壓箱等部件送至條形槽口并送出,形成空氣幕,從而對(duì)廚房起到補(bǔ)風(fēng)、控制污染物擴(kuò)散的作用,廚房的幾何模型見(jiàn)圖1.在廚房z=1.5m高平面(呼吸區(qū))與y=0.9m平面取兩個(gè)平面并相交于一條線段.在該線段上選取9個(gè)測(cè)點(diǎn),從距離灶臺(tái)0.1m處開(kāi)始每隔0.1m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),并依次記為D1～D9,測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2.將D1記為人體呼吸點(diǎn)并測(cè)量該點(diǎn)隨時(shí)間分布的CO2、PM2.5濃度.測(cè)量D1～D9各點(diǎn)瞬態(tài)溫度.

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)示意Fig.2　Schematic diagram of measurement points

1.2實(shí)驗(yàn)工況與測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)工況有3個(gè),見(jiàn)表1.烹飪過(guò)程分為炒土豆絲和炒青菜兩部分,前200s是炒土豆絲的過(guò)程,200s到300s燃?xì)馓幱谙ɑ馉顟B(tài),300s到500s時(shí)間段為炒青菜,500s后再次關(guān)閉開(kāi)關(guān).鎳鎘-鎳硅K型熱電偶連接安捷倫數(shù)據(jù)采集器,用來(lái)測(cè)量人體活動(dòng)區(qū)域空氣溫度(即D1～D9)隨時(shí)間的變化,VT熱線手持風(fēng)量風(fēng)速儀用來(lái)測(cè)量油煙機(jī)、氣幕運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速,并作為邊界條件用于CFD數(shù)值模擬.實(shí)驗(yàn)的四條槽口(見(jiàn)圖1)形成的空氣幕風(fēng)速見(jiàn)表2.

表1　實(shí)驗(yàn)的3種工況Table 1　Three cases in experiment

Y09-PM10型激光粉塵濃度測(cè)試儀用來(lái)測(cè)量D1點(diǎn)PM2.5的實(shí)時(shí)濃度,通過(guò)小型空氣泵將采樣點(diǎn)空氣吸進(jìn)儀器三種粒子通道,可以測(cè)出PM1.0、PM2.5、PM10濃度,空氣泵的采樣流量為2.83L/min.采樣周期可選范圍是0～999999s,選擇30s為采樣周期,即每隔30s自動(dòng)記錄儲(chǔ)存一次數(shù)據(jù),且最多可存儲(chǔ)1000組數(shù)據(jù),然后通過(guò)數(shù)據(jù)接口用軟件在計(jì)算機(jī)中讀取結(jié)果.D1點(diǎn)CO2實(shí)時(shí)濃度用型號(hào)為KIMO AQ100的CO2檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量,每隔30s記錄一次.儀器具體參數(shù)見(jiàn)表3.

表2　實(shí)驗(yàn)工況3的槽口氣幕風(fēng)速Table 2　Speed of air curtain on slot for case 3in experiment

表3　實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)與參數(shù)Table 3　Models and parameters for experimental instrument

1.3污染暴露量評(píng)價(jià)指標(biāo)

廚房使用的吹吸式氣幕送風(fēng)裝置實(shí)質(zhì)是為油煙機(jī)提供了補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng).一方面能合理組織氣流的流動(dòng)和污染物排放,另一方面能降低廚房溫度,提高熱舒適.為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)廚房污染物的控制能力,常用 “捕獲效率”作為評(píng)價(jià)指標(biāo).捕獲效率定義為[3]:捕獲效率=污染物捕獲速率/污染物釋放速率,王軍等[18]結(jié)合吸入率概念和人體呼吸模型得到了室內(nèi)人員污染暴露量計(jì)算模型,可計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)人體呼吸的空氣量.假設(shè)人體呼吸頻率穩(wěn)定為10次/min,吸入和呼出的空氣量恒定為0.6L,呼吸的氣流與水平方向成向下30°角.該人體穩(wěn)定呼吸計(jì)算模型為[18]:

式中:Bv(t)為人體單位時(shí)間呼吸的空氣量,L/s;t為呼吸時(shí)間,s;n為呼吸次數(shù).

人員污染暴露量計(jì)算模型為[19]:

式中:Cv(t)為呼吸點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度,kg/m3;Sc為污染源釋放污染物的總質(zhì)量,kg/s.

人體污染物暴露量(iF)表示在一定時(shí)間內(nèi)被人體吸入的污染物占污染物總量的百分比,是無(wú)量綱單位,可用來(lái)評(píng)價(jià)廚房通風(fēng)系統(tǒng)的排油煙效率.人體吸入的污染物質(zhì)量越低,油煙機(jī)工作效率越高.當(dāng)時(shí)間一定且污染物總濃度與人體呼吸的空氣量已知,人體吸入的污染物占總釋放源的比例只與呼吸點(diǎn)的污染物濃度有關(guān).

2　數(shù)值模擬

2.1廚房幾何模型

房間幾何模型的建立是基于實(shí)驗(yàn)的廚房形狀和大小,見(jiàn)圖1.氣幕風(fēng)口寬0.03m,1、4號(hào)氣幕送風(fēng)口長(zhǎng)0.31m,2、3號(hào)長(zhǎng)0.55m.油煙機(jī)排風(fēng)口尺寸大小為0.18×0.18m.窗戶寬高為0.5m×1m.氣流可以通過(guò)窗戶和燃?xì)庠钏闹艿娘L(fēng)口進(jìn)入室內(nèi),再由油煙機(jī)排氣口排出室外,門(mén)始終處于關(guān)閉狀態(tài),房間無(wú)任何縫隙.廚房可用燃?xì)庠钛塾袃蓚€(gè),但是實(shí)驗(yàn)和模擬中僅使用一個(gè)灶眼,且CFD模擬中被定義為污染源/熱源,面積為0.02m2.灶臺(tái)和人體高度分別為0.8m和1.6m.

2.2控制方程

運(yùn)用數(shù)值模擬方法通過(guò)對(duì)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算來(lái)確定多種工況下廚房CO2濃度分布,并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果.CFD數(shù)值模擬選取的是三維、不可壓縮室內(nèi)零方程模型.該湍流模型尤為適合室內(nèi)低湍流空氣流動(dòng)計(jì)算,既能滿足計(jì)算精度要求,又可以高效快捷地計(jì)算出所需結(jié)果[19].不可壓縮流體控制方程如下:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

式中:p為壓力,Pa;T為應(yīng)力張量,Pa;ρg為單位體積重力,N/m3;為單位張量.

能量方程:

組分輸運(yùn)方程:

式中:Yi為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),為質(zhì)量擴(kuò)散相,Sct為湍流施密特?cái)?shù),Sct=μt/(ρDt),是粘性系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)的比值.室內(nèi)零方程的湍流粘度μt=0.03874ρvL,L為離最近壁面的距離.

運(yùn)用有限體積法將上述微分方程轉(zhuǎn)化為離散方程.各階導(dǎo)數(shù)的差分選用二階迎風(fēng)格式并采用壓力—速度耦合修正算法(SIMPLE)求解離散方程,迭代方法采用Gauss-Seidel迭代.計(jì)算收斂的殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為:X、Y、Z方向的速度殘差和連續(xù)性殘差達(dá)到10-4,能量殘差達(dá)到10-6.

2.3邊界條件及模擬工況

邊界條件設(shè)置見(jiàn)表4.廚房四周墻壁定義為厚0.1m、傳熱系數(shù)為1.5W/(m2·K)的固體邊界,門(mén)始終關(guān)閉,故也設(shè)置成固體邊界.廚房除了窗戶外全部密閉,窗戶定義為壓力進(jìn)口,默認(rèn)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.油煙機(jī)體、灶臺(tái)視為絕熱邊界.站立的人體高1.6m,寬0.25m,視為散熱源為104.67W的靜止物體.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù),廚房和室外CO2初始濃度為485×10-6,初始溫度為24.6℃ ,油煙機(jī)排風(fēng)口抽氣速率為5m/s.在穩(wěn)態(tài)計(jì)算過(guò)程中,污染源以恒定速率1.24×10-3kg/s釋放CO2,而在計(jì)算非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)時(shí),為了接近實(shí)驗(yàn)過(guò)程的烹飪步驟,污染源以方波函數(shù)形式釋放CO2,見(jiàn)圖3.前200s和300～500s內(nèi)污染源的釋放強(qiáng)度為1.24×10-3kg/s, 200～300s和500～600s內(nèi)的釋放強(qiáng)度為0.油煙機(jī)無(wú)法完全將污染物排出室外,沒(méi)有被排出的污染物會(huì)在廚房?jī)?nèi)集聚,濃度不斷升高.在油煙機(jī)排出的風(fēng)量不變情況下,濃度越高,排出的污染物含量就越高,當(dāng)污染物濃度達(dá)到一定時(shí),污染物排出總量與釋放量等同,室內(nèi)污染物的分布會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).Saha等[14]利用Fortran語(yǔ)言計(jì)算出液化石油氣燃燒產(chǎn)生的組分濃度和最佳熱源溫度為1240K.本文根據(jù)燃?xì)馊紵幕鹧嫣匦?綜合考慮設(shè)置燃燒產(chǎn)生的散熱熱源溫度為1400K,熱源的邊界條件在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的設(shè)置與污染源相似,見(jiàn)圖3.

表4　數(shù)值計(jì)算邊界條件設(shè)置Table 4　Settings of boundary condition in simulation

表5　數(shù)值模擬的9種工況Table 5　Nine cases in numerical simulation

根據(jù)設(shè)置氣幕的射速不同分為9種模擬工況,見(jiàn)表5,模擬工況1、工況2分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況2與實(shí)驗(yàn)工況3,模擬工況3～工況9的氣幕射速范圍在0.3～5m/s之內(nèi),且4條槽口風(fēng)速相同.

圖3　污染源/熱源隨時(shí)間的邊界條件Fig.3　Boundary conditions of pollution/heat with time

3　結(jié)果與討論

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的室外溫度穩(wěn)定波動(dòng)在25℃左右,室內(nèi)溫度要略高于室外.測(cè)得D1～D9溫度分布如圖4,圖4中共18條曲線,分別為無(wú)氣幕(實(shí)驗(yàn)工況2)與有氣幕工況(實(shí)驗(yàn)工況3)下9個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度分布.

圖4　人員活動(dòng)區(qū)溫度隨時(shí)間的分布Fig.4　Temperature distribution in occupied zone

3.1.1增設(shè)空氣幕對(duì)廚房溫度的影響從圖4中能看出,無(wú)氣幕工況的各點(diǎn)溫度分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律,由2個(gè)波峰、2個(gè)上升區(qū)間、2個(gè)下降區(qū)間和一個(gè)波谷組成,與烹飪過(guò)程燃?xì)庠畹拈_(kāi)啟時(shí)間相似.無(wú)氣幕工況下人員活動(dòng)區(qū)(D1～D9)600s內(nèi)溫度最高達(dá)30.5℃ ,平均溫度為28.7℃ .增設(shè)氣幕后的溫度分布相對(duì)平穩(wěn),平均溫度為27.4,最高溫度28.4℃ ,相比于實(shí)驗(yàn)工況2的最高溫度降低2.1℃ ,平均溫度降低1.3℃ ,提高熱舒適的效果相當(dāng)可觀.

3.1.2增設(shè)空氣幕對(duì)廚房顆粒物濃度的影響圖5顯示了有、無(wú)氣幕時(shí)呼吸點(diǎn)D1處PM2.5隨時(shí)間分布的濃度曲線和室外日平均PM2.5濃度限值(GB3095《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》)的曲線.PM2.5的濃度波峰出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)后的90s和390s時(shí)刻,此刻正在加熱食用油并出現(xiàn)了較大的油煙,因此,我們得出,加熱食用油可產(chǎn)生大量PM2.5的細(xì)小顆粒物.實(shí)驗(yàn)工況3中產(chǎn)生PM2.5的最大濃度值為238μg/m3,要比實(shí)驗(yàn)工況2的最大濃度值325μg/m3降低了36.5%,但是相對(duì)于國(guó)家規(guī)定的室外日平均標(biāo)準(zhǔn)值75μg/m3,烹飪過(guò)程中產(chǎn)生的有害顆粒物濃度依舊過(guò)高.

圖5　D1點(diǎn)的PM2.5濃度隨時(shí)間的分布Fig.5　PM2.5concentration distribution at point D1

3.2數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.2.1廚房污染物擴(kuò)散機(jī)理研究油煙機(jī)在排風(fēng)的過(guò)程中會(huì)在排風(fēng)口產(chǎn)生局部負(fù)壓區(qū),使得廚房的空氣不斷向排風(fēng)口匯集,在匯集的過(guò)程中負(fù)壓區(qū)的范圍也不斷在擴(kuò)大,由于實(shí)驗(yàn)和模擬中的門(mén)始終關(guān)閉,僅窗戶打開(kāi),所以室外空氣在室內(nèi)外壓差的作用下只能從窗戶進(jìn)入廚房,直到排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量達(dá)到平衡.由于油煙機(jī)的抽力作用始終存在,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后的廚房仍然處在負(fù)壓狀態(tài). 圖6是穩(wěn)態(tài)后模擬工況1下x=0.23m與z=0.85m平面的速度云圖.從圖中可知,從窗戶進(jìn)來(lái)的空氣以一定的速度通過(guò)烹飪區(qū)時(shí),一部分空氣被油煙機(jī)吸入并排出室外,另一部分穿過(guò)烹飪區(qū)并帶走部分油煙在室內(nèi)循環(huán)流動(dòng).油煙在流動(dòng)過(guò)程中擴(kuò)散從而導(dǎo)致污染,這也是住宅廚房單獨(dú)使用油煙機(jī)的污染物擴(kuò)散機(jī)理.結(jié)果發(fā)現(xiàn),單獨(dú)使用油煙機(jī)時(shí)油煙依舊擴(kuò)散的原因在于補(bǔ)風(fēng)的無(wú)組織性,所以本文提出了能夠改善氣流組織的空氣幕補(bǔ)風(fēng)裝置.

圖6　無(wú)氣幕模擬工況1的速度分布云圖Fig.6　Velocity contour without air curtain in case 1during simulation

圖7　有氣幕模擬工況2的速度分布云圖Fig.7　Velocity contour with air curtain in case 2 during simulation

在烹飪區(qū)四周增設(shè)氣幕后,污染物的控制得到了明顯的改善.由于空氣幕補(bǔ)風(fēng)量遠(yuǎn)小于油煙機(jī)的排風(fēng)量,所以廚房?jī)?nèi)的平均相對(duì)壓力仍是負(fù)值,而窗戶仍需提供部分補(bǔ)風(fēng).圖7是穩(wěn)態(tài)后模擬工況2下x=0.23m與z=0.85m平面的速度云圖,可以看出,氣流被空氣幕控制在油煙機(jī)的抽力作用范圍并被迅速排出了室外.氣幕對(duì)污染物的“控制”作用表現(xiàn)在兩點(diǎn).一是補(bǔ)風(fēng)控制,空氣幕提供的補(bǔ)風(fēng)量降低了室內(nèi)外的壓差,減少了對(duì)窗戶進(jìn)風(fēng)量的需求,從而降低了窗戶外進(jìn)入烹飪區(qū)的空氣風(fēng)速,使得進(jìn)入的空氣無(wú)法穿越烹飪區(qū)并完全被油煙機(jī)吸入,同時(shí)油煙也伴隨著一同被排出室外.二是阻擋控制,空氣幕對(duì)污染物具有一定的阻擋隔離效果,可以適當(dāng)防止產(chǎn)生的污染物向室內(nèi)擴(kuò)散.圖8和圖9分別為穩(wěn)態(tài)后模擬工況1與模擬工況2的CO2濃度分布,活動(dòng)區(qū)的平均CO2濃度分別為714×10-6和560×10-6.圖10和圖11分別為穩(wěn)態(tài)后模擬工況1與模擬工況2的溫度場(chǎng)分布圖,活動(dòng)區(qū)的平均溫度分別為30.8℃和28℃ .

圖8　無(wú)氣幕模擬工況1的CO2濃度分布云圖Fig.8　Contours of CO2concentration distribution without air curtain in case 1during simulation

圖12是呼吸點(diǎn)處CO2濃度的實(shí)驗(yàn)和模擬值隨時(shí)間變化的曲線.CO2濃度的實(shí)驗(yàn)和模擬值分布充分說(shuō)明了增設(shè)空氣幕對(duì)污染物的較好控制效果.實(shí)驗(yàn)與模擬無(wú)氣幕工況中CO2最高濃度分別為1056×10-6、1022×10-6,而增設(shè)空氣幕后最高CO2濃度值降為745×10-6、704×10-6,CO2的降低效率分別為29.5%、31.1%.模擬-無(wú)氣幕工況的兩個(gè)波峰值數(shù)值不同的原因在于第二次釋放污染物CO2前的室內(nèi)初始濃度要高于第一次.實(shí)驗(yàn)-無(wú)氣幕與模擬-無(wú)氣幕兩種工況的曲線分布趨勢(shì)近似,明顯的差別在于第200s處模擬值的波峰小于實(shí)驗(yàn)值,這是由于土豆含有的碳化物高于青菜,所以炒土豆的實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的CO2要多于炒青菜過(guò)程,此外,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,廚房的烹飪?nèi)藛T呼吸產(chǎn)生的CO2對(duì)室內(nèi)污染物分布也會(huì)有一定的影響,而數(shù)值模擬中人體呼出的CO2是忽略不計(jì)的,故實(shí)驗(yàn)與模擬初期結(jié)果存在一定誤差.但是由于燃燒產(chǎn)生的CO2濃度遠(yuǎn)大于人員呼吸值,所以實(shí)驗(yàn)與模擬后期結(jié)果較好地吻合.有氣幕送風(fēng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)與模擬濃度分布曲線都相對(duì)平緩、穩(wěn)定.數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,驗(yàn)證了邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分和湍流模型的正確性.

圖9　有氣幕模擬工況2的CO2濃度分布云圖Fig.9　Contours of CO2concentration distribution with air curtain in case 2 during simulation

3.2.2空氣幕射速對(duì)污染物控制的影響油煙機(jī)的排風(fēng)與空氣幕的送風(fēng)構(gòu)成了吹吸式通風(fēng)系統(tǒng).對(duì)于吹吸式通風(fēng)系統(tǒng),送風(fēng)的速度對(duì)污染物的控制效果會(huì)有很大的影響.從圖13穩(wěn)態(tài)活動(dòng)區(qū)各工況的污染物濃度分布可以看出,隨著送風(fēng)速度的增加,各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度逐漸降低,當(dāng)送風(fēng)速度增加到0.6m/s 時(shí),污染物達(dá)到最低濃度536×10-6.如果繼續(xù)增大空氣幕風(fēng)速,測(cè)點(diǎn)的CO2濃度會(huì)持續(xù)增加到最高值928×10-6,此時(shí)污染物濃度甚至比沒(méi)安裝氣幕裝置時(shí)的還要高.當(dāng)氣幕射速超過(guò)2m/s,CO2濃度又開(kāi)始下降.

圖10　無(wú)氣幕模擬工況1的溫度分布云圖Fig.10　Contours of temperature distribution without air curtain in case 1during simulation

圖11　有氣幕模擬工況2的溫度分布云圖Fig.11　Contours of temperature distribution with air curtain in case 2 during simulation

圖12　D1點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與模擬的CO2濃度對(duì)比Fig.12　Comparison of CO2concentration between experiment and simulation at point D1

圖13　穩(wěn)態(tài)活動(dòng)區(qū)CO2濃度隨氣幕射速的分布Fig.13　Distribution characteristic of CO2concentration in occupied zone with the speed of air curtain

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,空氣幕射速增大,送風(fēng)量增加,窗戶外的補(bǔ)風(fēng)對(duì)烹飪區(qū)油煙擴(kuò)散的影響減弱,同時(shí)污染物被氣幕隔絕在烹飪區(qū)而又在油煙機(jī)抽力范圍內(nèi),所以送風(fēng)射流可以很好地?cái)y帶油煙污染物進(jìn)入排風(fēng)口,被油煙機(jī)捕集.因此隨著送風(fēng)速度的增加,油煙機(jī)的捕集效率會(huì)逐漸增加.但是在油煙機(jī)排風(fēng)量不變的情況下,持續(xù)增大送風(fēng)速度會(huì)因?yàn)榕棚L(fēng)口排風(fēng)量有限而無(wú)法將送風(fēng)氣流全部吸進(jìn)排風(fēng)口,這些沒(méi)有被吸入的空氣會(huì)以一定速度帶走部分油煙,反而會(huì)使油煙機(jī)捕集效率降低,因此單單通過(guò)增加空氣幕射速來(lái)降低廚房污染物濃度是不可取的,應(yīng)該相應(yīng)地增大油煙機(jī)的排風(fēng)量.隨著空氣幕射速的繼續(xù)增加,補(bǔ)風(fēng)量已達(dá)到能夠稀釋室內(nèi)污染物濃度的作用.從圖13中明顯能看到,氣幕射速在2～5m/s時(shí),遠(yuǎn)離污染源的D3～D9點(diǎn)的CO2濃度近似相同,這是由于送風(fēng)氣流對(duì)污染物的稀釋作用使得室內(nèi)的污染物更加均勻分布.圖14～17分別為氣幕射速為0m/s、0.6m/s、2m/s、5m/s的空氣幕與從窗外進(jìn)入的空氣10s后的速度軌跡圖,從圖14～15中可以明顯看出,隨著空氣幕射速的逐漸增加,從窗戶外進(jìn)入室內(nèi)的干擾氣流風(fēng)量開(kāi)始減少,從而降低了通過(guò)烹飪區(qū)影響污染物排放的風(fēng)速,此時(shí),空氣幕能夠充分?jǐn)y帶污染物進(jìn)入排風(fēng)口,而且能夠不導(dǎo)致空氣與污染物的泄露,空氣幕射速越大,干擾氣流風(fēng)速越低,越有利于污染物的排放.但是,當(dāng)排風(fēng)量不變且空氣幕射速增加到一定大小時(shí),如圖16所示,空氣幕攜帶的污染物因送風(fēng)量過(guò)大而無(wú)法完全被吸入油煙機(jī),從而導(dǎo)致了污染物的泄露,此時(shí),油煙機(jī)的排污效率與空氣幕風(fēng)速成負(fù)相關(guān).然而,隨著空氣幕射速的繼續(xù)增加,如圖17,空氣幕的送風(fēng)量大于油煙機(jī)的排風(fēng)量,廚房會(huì)處于正壓狀態(tài),此時(shí)廚房污染物濃度的降低依靠的是空氣的稀釋功能.送風(fēng)量越大,稀釋作用越明顯,但是高射速氣幕伴隨著的是送風(fēng)風(fēng)機(jī)的高能耗,而且太高的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致人體不舒適感,所以對(duì)于油煙機(jī)的不同檔位應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的最佳氣幕射速.

圖14　無(wú)氣幕模擬工況1的速度軌跡Fig.14　Streamlines without air curtain in case 1 during simulation

圖16　氣幕射速v=2m/s模擬工況7的速度軌跡Fig.16　Streamlines with air curtain velocity v = 2m/s in case 7 during simulation

圖17　氣幕射速v=5m/s模擬工況9的速度軌跡Fig.17　Streamlines with air curtain velocity v = 5m/s in case 9 during simulation

4　結(jié)論

4.1通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬計(jì)算得出,增設(shè)空氣幕后廚房呼吸區(qū)的CO2的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的最高濃度降低效率分別為29.5%、31.1%.由此可見(jiàn),將空氣幕應(yīng)用于廚房油煙控制是切實(shí)可行的.

4.2通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證了廚房增設(shè)空氣幕前后的污染物擴(kuò)散機(jī)理.結(jié)果發(fā)現(xiàn),單獨(dú)使用油煙機(jī)時(shí),污染物依舊能夠擴(kuò)散的原因在于氣流組織的不合理性.

4.3從數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可得,油煙機(jī)的排風(fēng)量一定時(shí),存在最佳氣幕設(shè)計(jì)風(fēng)速和最不利設(shè)計(jì)風(fēng)速.油煙機(jī)排風(fēng)風(fēng)速為5m/s的氣幕最佳設(shè)計(jì)風(fēng)速為0.6m/s,最不利設(shè)計(jì)風(fēng)速為2m/s.所以,針對(duì)油煙機(jī)的不同檔位應(yīng)該設(shè)計(jì)不同的氣幕射速,但是考慮到廚房人體的舒適感,設(shè)計(jì)風(fēng)速不宜過(guò)大.

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Auxiliary effect of slot air curtain on pollution control performance of kitchen range hood.

CHEN Feng, ZHOU Bin*, LIU Jin-Xiang, XUE Ke, XU Yang, TANG Xu-Yu (College of Urban Construction, Nanjing Technology University, Nanjing 210009, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：709～718

Abstract：By using numerical simulation and field test method, air movement, temperature distribution and pollutant dispersion were investigated, when air was supplied through slot air curtain into the residential kitchen. The influence of jet velocity from air curtain on pollutant dispersion inside the kitchen was analyzed, where the range of jet velocity was from 0to 5m/s. Results show that oil fume generated by cooking cannot be effectively exhausted out of the kitchen by using the range hood alone. With the application of air curtain, the air temperature can be reduced to improve human thermal comfort, and the pollutant concentration can be decreased with the improved air distribution. However, with the given exhaust air volume, there was an optimal designed air supply velocity for the air curtain, since the capture efficiency of the range hood was not proportional to the air supply velocity. The optimal air velocity of the air curtain was 0.6m/s when the exhaust rate was 5m/s. Air velocity from air curtain should be correspondingly adjusted with the exhaust air rate, so that the capture efficiency of the range hood can be improved accordingly.

Key words：pollution control；kitchen ventilation；numerical simulation；air curtain

作者簡(jiǎn)介：陳鋒(1990-),男,安徽合肥人,南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事污染物控制研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51508267);江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130946);江蘇省2015年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX15_0782)

收稿日期：2015-08-21

中圖分類號(hào)：X51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)03-0709-10